(57)【要約】【課題】  燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流動解析を行うにあたり、数値演算が発散することなく、確実に収束解を得るためのシミュレーション方法を提案する。【解決手段】  本発明のシミュレーション方法は、まず、燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算する（Ｓ１）。収束解が得られたならば（Ｓ２；ＹＥＳ）、発電解析を行うことにより、反応ガスの消費をシミュレーション演算する（Ｓ３）。収束解が得られたならば（Ｓ４；ＹＥＳ）、反応ガスを気液二相流と看做して水滴の挙動を解析し、発電解析結果を修正する（Ｓ５）。収束解が得られたならば（Ｓ６；ＹＥＳ）、シミュレーション演算を終了する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流動解析をシミュレーション演算するための燃料電池シミュレータであって、
前記ガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算するガス流動解析手段と、
電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する発電解析手段と、
前記反応ガスに含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する気液二相流解析手段を備え、
前記各々の解析手段におけるシミュレーション演算の実行順序は予め定められており、各解析手段のシミュレーション演算が所定の収束解を得てから次の解析手段においてシミュレーション演算が開始されるように構成されている、燃料電池シミュレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池シミュレータであって、
前記ガス流動解析手段、前記発電解析手段、及び前記気液二相流解析手段の順にシミュレーション演算を行うように順序付けられている、燃料電池シミュレータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池シミュレータであって、
前記ガス流動解析手段は前記燃料電池の電池反応による反応ガスの消費を無視することを条件として前記ガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算する手段であり、
前記発電解析手段は前記電池反応によって生成される水をガスとして取り扱うことを条件として前記電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する手段であり、
前記気液二相流解析手段は前記反応ガスを気液二相流として取り扱うことを条件として前記気液二相流に含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する手段である、燃料電池シミュレータ。
【請求項４】
燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流動解析をシミュレーション演算するためのシミュレーション方法であって、
前記燃料電池の電池反応による反応ガスの消費を無視することを条件として前記ガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算するガス流動解析ステップと、
前記ガス流動解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップと、
前記ガス流動解析ステップにおいて収束解が得られた場合に、前記電池反応によって生成される水をガスとして取り扱うことを条件として前記電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する発電解析ステップと、
前記発電解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップと、
前記発電解析ステップにおいて収束解が得られた場合に、前記反応ガスを気液二相流として取り扱うことを条件として前記気液二相流に含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する気液二相流解析ステップと、
前記気液二相流解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップと、
前記気液二相流解析ステップにおいて収束解が得られた場合にシミュレーション演算を終了するステップを備える、シミュレーション方法。
【請求項５】
請求項４に記載のシミュレーション方法をコンピュータシステムに実行させるためのシミュレーションプログラム。
【請求項６】
請求項５に記載のシミュレーションプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のシミュレーション技術に関し、特に、ガス流動解析に好適な改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電特性を解析する上で、ガスチャンネル（ガス流路）を流れる反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流動解析を行うことが必要となる。ガスチャンネルの流路形状、材質等の構造は反応ガスの流れに直接影響を及ぼすため、燃料電池の発電特性を考察する上で重要となる。また、燃料電池では電池反応によって反応ガスの一部が消費されるため、反応ガスの消費を考慮した上でガス流動解析をしなければならない。さらに、電池反応で生じた水がガスチャンネルに蓄積するため、ガス流動解析では複雑な気液二相流解析を考慮しなければならない。電力発電に伴うこれらの物理現象は複雑に関連し合っており、単一のモデルでこれらのダイナミクスを記述することは困難である。このような事情から、従来ではある一定のまとまりのある物理現象毎に数値シミュレーションに適した物理モデルを用意している。例えば、特開平６−１８８０２０号公報には燃料電池システムの動的解析に適したシミュレーションモデルが提案されている。
【０００３】
ガス流動解析を行うためのモデルとして、ガスチャンネルを流れる反応ガスの流れを計算するためのモデル（以下、ガス流動解析モデルと称する）と、電池反応で消費される反応ガスの消費を計算するためのモデル（以下、発電解析モデルと称する）と、反応ガスに含まれる水滴の挙動を考慮した流動解析を行うためのモデル（以下、気液二相流解析モデルと称する）が知られている。従来のガス流動解析では上述した３つのモデルを用いて同時に数値演算を実行するか、又はガス流動解析モデルを用いた数値演算を最初に実行した後に、発電解析モデルと気液二相流解析モデルを用いた数値演算を同時に実行していた。
【特許文献１】特開平６−１８８０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述した各モデルは各種の化学反応、物質移動、熱移動、相変化などを含む分布定数系の複雑な反応系のダイナミクスを記述しているため、次数の高い非線形モデルとなる。特に、気液二相流解析モデルでは、ガスチャンネルを流れる気液二相流をボイド率等に基づいてバブル流、スラグ流、フロス流、アニュラーミスト流、アニュラー流、ミスト流等に分類し、相間摩擦力等を考慮したモデル設計を行うと、非線形性が極めて強くなる。このようなモデルを複数用いて同時に数値演算を実行すると、取り扱う非線形方程式の数が多くなるため、計算が不安定になりやすく、計算結果が発散して収束解が得られない場合がある。
【０００５】
そこで、本発明はガス流動解析をシミュレーション演算する場合に数値演算が発散することなく、確実に収束解を得るための燃料電池シミュレータ、シミュレーション方法、シミュレーションプログラム及び記録媒体を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池シミュレータ（１０）は、燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流動解析をシミュレーション演算するシミュレータであって、ガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算するガス流動解析手段（２１）と、電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する発電解析手段（２２）と、反応ガスに含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する気液二相流解析手段（２３）を備え、各々の解析手段におけるシミュレーション演算の実行順序は予め定められており、各解析手段のシミュレーション演算が所定の収束解を得てから次の解析手段においてシミュレーション演算が開始されるように構成されている。本発明によればガス流動解析、発電解析、及び気液二相流解析を同時に実行するのではなく、各解析手段の実行順序を予め設定しておき、所定の解析手段において収束解が得られたのを確認してから次の解析手段のシミュレーション演算を開始するように構成しているため、計算を発散させることなく、安定して収束解を得ることができる。
【０００７】
本発明の燃料電池シミュレータにおいて、ガス流動解析手段（２１）、発電解析手段（２２）、及び気液二相流解析手段（２３）の順にシミュレーション演算を行うように順序付けられているのが好ましい。ガス流動解析、発電解析、及び気液二相流解析の順に計算が収束し易いので、計算が収束しやすいガス流動解析を最初に実行し、次いで、発電解析を実行して、最後に計算が発散し易い気液二相流解析を実行することで安定した計算を行うことができる。
【０００８】
本発明の燃料電池シミュレータにおいて、ガス流動解析手段（２１）は燃料電池の電池反応による反応ガスの消費を無視することを条件としてガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算する手段であることが望ましく、発電解析手段（２２）は電池反応によって生成される水をガスとして取り扱うことを条件として電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する手段であることが望ましく、気液二相流解析手段（２３）は反応ガスを気液二相流として取り扱うことを条件として気液二相流に含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する手段であることが望ましい。各シミュレーション演算を簡略化することで計算が発散しないようにできる。
【０００９】
本発明のシミュレーション方法は、燃料電池のガスチャンネルを流れる反応ガスの流動解析をシミュレーション演算するための方法であって、燃料電池の電池反応による反応ガスの消費を無視することを条件としてガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算するガス流動解析ステップ（Ｓ１）と、ガス流動解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップ（Ｓ２）と、ガス流動解析ステップにおいて収束解が得られた場合に（Ｓ２；ＹＥＳ）、電池反応によって生成される水をガスとして取り扱うことを条件として電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する発電解析ステップ（Ｓ３）と、発電解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップ（Ｓ４）と、発電解析ステップにおいて収束解が得られた場合に（Ｓ４；ＹＥＳ）、反応ガスを気液二相流として取り扱うことを条件として気液二相流に含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する気液二相流解析ステップ（Ｓ５）と、気液二相流解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断するステップ（Ｓ６）と、気液二相流解析ステップにおいて収束解が得られた場合に（Ｓ６；ＹＥＳ）、シミュレーション演算を終了するステップを備える。この方法によれば、収束し易い解析ステップから順番にシミュレーション演算を行い、各解析ステップにおいて収束解が得られたのを確認してから次の解析ステップに移行するため、安定したシミュレーション演算を行うことができる。
【００１０】
本発明のシミュレーションプログラム（３４）は、本発明のシミュレーション方法をコンピュータシステムに実行させるためのコンピュータプログラムである。本発明のシミュレーションプログラムによれば、複雑なガス流動解析を発散させることなく、コンピュータシステムに安定して実行させることができる。
【００１１】
本発明の記録媒体は、上述した本発明のシミュレーションプログラム（３４）を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。このような記録媒体として、例えば、半導体メモリ素子（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭなど）、磁気記録媒体（フレキシブルディスク、磁気カード等の磁気的にデータの読み取りが可能な記録媒体）、光記録媒体（ＣＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＰＤディスク、ＭＤディスク、ＭＯディスク等の光学的にデータの読み取りが可能な記録媒体）が好適である。これらの記録媒体へのデータの記録形式などは特に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガス流動解析、発電解析、及び気液二相流解析を同時に実行するのではなく、各解析に実行順序を設定しておき、所定の解析において収束解が得られたのを確認してから次の解析に移行するように構成しているため、計算を発散させることなく、安定して収束解を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本実施形態に関わる燃料電池シミュレータの機能ブロック図である。同図に示すように、燃料電池シミュレータ１０は、シミュレーション演算を実行するプロセッサ２０と、シミュレーション演算に必要な各種物理モデルやプログラム等を格納するメモリ３０と、シミュレーション結果を表示する表示装置４０を備えて構成されている。プロセッサ２０はメモリ３０に格納されたシミュレーションプログラム３４を読み取って、これを解釈・実行することにより、ガス流動解析（Ｓ１）を実行するガス流動解析手段２１、発電解析（Ｓ３）を実行する発電解析手段２２、及び気液二相流解析（Ｓ５）を実行する気液二相流解析手段２３として機能する。メモリ３０にはシミュレーション演算に必要なガス流動解析モデル３１、発電解析モデル３２、及び気液二相流解析モデル３３が格納されている。
【００１４】
ここで、ガス流動解析モデル３１とは、電池反応による反応ガスの消費を無視することを条件としてガスチャンネルを流れる反応ガスの流れを計算するためのモデルである。実際の電池運転では電池反応の進行に伴って反応ガスは消費されるが、反応ガスの消費を考慮した上で反応ガスの流れを計算すると、計算が非常に複雑になるため、計算の便宜上、ガス消費は無視している。ガス流動解析モデル３１は、例えば、レイノルズの輸送定理、運動方程式、エネルギー保存則などの各種物理法則から導かれる物理モデルであり、ガスチャンネルを流れる反応ガスの速度分布、温度分布、ガス密度分布、渦度分布、ガス流向などの動特性が解析できるように記述されている。
【００１５】
発電解析モデル３２とは、反応ガスに含まれる全ての水をガスとして取り扱うことを条件として発電解析を行うためのモデルである。反応ガスに含まれる水としては、電池反応によって生成された水が主であるが、この他に加湿器で加湿された水蒸気、低温環境下におけるガスの液化で生成された水、さらには触媒層付近にて高分子電解質膜から摘出された水などが含まれる。反応ガスにこれらの水が含まれていることを前提に発電解析を行うと計算が非常に複雑になるため、計算の便宜上、これらの水をガスと看做して計算を簡略化している。燃料電池のアノード極では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極では（２）式の還元反応が生じる。電池全体では（３）式が成立する。また、燃料電池の運転電圧をＶ、電流密度をＩ、燃料ガス（水素ガス）の消費速度をｄｆ／ｆｔとすれば、（４）式〜（９）式が成立する。このように発電解析を行うことで、反応ガスのガス消費をシミュレーション演算できる。但し、Ｅは理論起電圧、ηは過電圧、ηaは活性化過電圧、ηcは濃度過電圧、ηrは抵抗過電圧、ａ，ｂは定数、ＩLは限界電流密度、Ｒは抵抗値、Ｆはファラデー定数とする。  
【００１６】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）  
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）  
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）  
Ｖ＝Ｅ−η  …（４）  
η＝ηa＋ηc＋ηr  …（５）  
ηa＝ａ−ｂ×ｌｏｇＩ  …（６）  
ηc＝ｂ×ｌｏｇ（１−Ｉ／ＩL）  …（７）  
ηr＝ＩＲ  …（８）  
Ｉ＝２Ｆ（ｄｆ／ｆｔ）  …（９）  
【００１７】
気液二相流解析モデル３３とは、反応ガスを気液二相流として取り扱うことを条件として気液二相流に含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算するためのモデルである。上述したように、発電解析の計算を簡略化するため、発電解析では反応ガスに含まれる全ての水をガスとして取り扱っているが、実際の電池運転では反応ガスには水滴、水蒸気などの様々な状態で水が含まれている。気液二相流解析では反応ガスを気液二相流として取り扱うことにより水滴の挙動を解析し、発電解析において水をガスとして取り扱ったことによる誤差を修正している。
【００１８】
図２は反応ガスの流動解析ルーチンを記述したフローチャートである。同ルーチンはシミュレーションプログラム３４内に記述されており、プロセッサ２０によって解釈・実行される。プロセッサ２０はシミュレーション演算の第一段階として、ガス流動解析モデル３１を用いてガスチャンネルを流れる反応ガスの流れをシミュレーション演算する（Ｓ１：ガス流動解析ステップ）。次いで、ガス流動解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断する（Ｓ２）。収束解が得られない場合には（Ｓ２：ＮＯ）、ガス流動解析ステップを引き続き実行し、収束解が得られた段階で（Ｓ２；ＹＥＳ）、シミュレーション演算の第二段階に移行する。この第二段階では発電解析モデル３２を用いて電池反応による反応ガスの消費をシミュレーション演算する（Ｓ３：発電解析ステップ）。次いで、発電解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断する（Ｓ４）。収束解が得られない場合には（Ｓ４：ＮＯ）、発電解析ステップを引き続き実行し、収束解が得られた段階で（Ｓ４；ＹＥＳ）、シミュレーション演算の第三段階に移行する。この第三段階では気液二相流解析モデル３３を用いて反応ガスに含まれる水滴の挙動をシミュレーション演算する（Ｓ５：気液二相流解析ステップ）。次いで、気液二相流解析ステップにおいて収束解が得られたか否かを判断する（Ｓ６）。収束解が得られない場合には（Ｓ６：ＮＯ）、気液二相流解析ステップを引き続き実行し、収束解が得られた段階で（Ｓ６；ＹＥＳ）、シミュレーション演算を終了する。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、燃料電池の発電を支配する物理現象を最小単位のまとまりにして、それぞれ別々に計算することで、複数のモデルを同時に計算することによる非線形方程式の数を最小限に抑えることができる。また、各モデルについて収束解が得られたことを条件に次の解析ステップに移行することにより（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６）、確実に収束解を得ることができる。流動解析モデル３１、発電解析モデル３２、気液二相流解析モデル３３の順に計算が収束し易いため、ガス流動解析のシミュレーション演算においては、まず、流動解析ステップ（Ｓ１）を行ってから、次いで発電解析ステップ（Ｓ３）を行い、最後に気液二相流解析ステップ（Ｓ５）を行うのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施形態の燃料電池シミュレータの機能ブロック図である。
【図２】反応ガスの流動解析ルーチンである。
【符号の説明】
【００２１】
１０…燃料電池シミュレータ  ２０…プロセッサ  ２１…ガス流動解析手段  ２２…発電解析手段  ２３…気液二相流解析手段  ３０…メモリ  ３１…ガス流動解析モデル  ３２…発電解析モデル  ３３…気液二相流解析モデル  ３４…シミュレーションモデル  ４０…表示装置
【図１】
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【図２】
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